伽馬射線穿過物質(zhì)時(shí)能譜的變化

摘 要：γ射線穿過物質(zhì)時(shí)，會(huì)通過光電、康普頓、電子對(duì)效應(yīng)與物質(zhì)相互作用。本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量γ射線穿過不同厚度、不同材料時(shí)能譜的變化，加深理解γ射線束穿過物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度的變化，通過分析γ光子與物質(zhì)相互作用方式，解釋?duì)蒙渚€通過不同厚度、不同材料時(shí)能譜的變化。同時(shí)也驗(yàn)證了鉛磚作為γ射線的屏蔽材料，是安全可行的。

關(guān)鍵詞：137Cs；γ射線；不同物質(zhì)；能譜變化

1 概述

原子核能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生γ射線，γ射線按強(qiáng)度的分布即γ射線能譜，簡(jiǎn)稱γ能譜。測(cè)量γ能譜一般使用閃爍γ能譜儀，其利用閃爍體在帶電粒子作用下被激發(fā)或電離后，能發(fā)射熒光（成為閃爍）的現(xiàn)象測(cè)量能譜。γ射線通過光電效應(yīng)，康普頓散射，（電子對(duì)效應(yīng)）三種方式與物質(zhì)進(jìn)行相互作用。探測(cè)γ射線通過物質(zhì)時(shí)能量譜的變化，可以深入了解γ射線與物質(zhì)相互作用。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

光電效應(yīng)：

光電效應(yīng)是物質(zhì)在高于某一特定頻率的電磁照射下放出光電子的現(xiàn)象，當(dāng)能量為hv的入射γ光子與物質(zhì)的原子中束縛電子相互作用時(shí)，光子可以把全部能量轉(zhuǎn)移給某個(gè)束縛電子，使電子脫離原子束縛而發(fā)射出去，光子本身消失，發(fā)射光電子的動(dòng)能為：

E=hv-Ei≈hv

這是閃爍體探測(cè)器探測(cè)到的全能峰（光電峰）的來源。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

濱松閃爍體探測(cè)器；四川大學(xué)一體化能譜儀，137Cs放射源；若干鋁片，銅片，鉛片。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 儀器組裝

檢查實(shí)驗(yàn)儀器的線路連接。

3.2 準(zhǔn)直與調(diào)節(jié)

將各個(gè)部分中心置于一條直線上，打開放射源屏蔽體開關(guān)，微調(diào)光電探測(cè)器的角度，直至計(jì)數(shù)率最高，即已準(zhǔn)直。固定設(shè)備開始測(cè)量。

3.3 測(cè)試與記錄

3.3.1 相同材料，不同厚度

取同種材料薄片，多片疊加為不同厚度的等效屏蔽物質(zhì)并進(jìn)行測(cè)試。

3.3.2 相同厚度，不同材料

考慮到實(shí)驗(yàn)室材料的實(shí)際情況，難以保證嚴(yán)格相同的厚度，因此使用上述測(cè)試結(jié)果中9mm左右和18mm左右兩組數(shù)據(jù)直接進(jìn)行對(duì)照。

3.3.3 無屏蔽測(cè)試

取下所有屏蔽材料，令放射源直射探頭，進(jìn)行60s測(cè)試后記錄數(shù)據(jù)。該記錄位于后文air線。

4 結(jié)果及分析

4.1 相同厚度，不同材料

由常規(guī)刻度圖像可以看出，材料的加厚顯著減弱了整個(gè)能譜中每一道的計(jì)數(shù)率，全能峰與康普頓坪均明顯下降，可認(rèn)為材料與γ射線的相互作用降低了能夠通過材料抵達(dá)探測(cè)器的γ光子數(shù)，與理論預(yù)期相合。

由對(duì)數(shù)刻度圖像可以看出，隨材料加厚，整條能譜曲線基本不變形地向低計(jì)數(shù)方向平移。由于縱軸為對(duì)數(shù)刻度，較高的全能峰與較低的康普頓坪呈現(xiàn)同樣幅度的下降，意味著厚材料的全能峰相對(duì)于薄材料下降的比例應(yīng)當(dāng)高于康普頓坪下降的比例。

由鉛磚可以看出，在全能峰之后的更高能量范圍依然存在均勻計(jì)數(shù)，且圖像呈現(xiàn)白噪樣。由于該系統(tǒng)中不存在高于全能峰的有效信號(hào)，因此這些計(jì)數(shù)應(yīng)為噪聲，可用于估計(jì)系統(tǒng)噪聲的大小。對(duì)全能峰后的所有道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得每道平均計(jì)數(shù)率為每秒0.024個(gè)信號(hào)。

可以看出，隨著材料的原子序數(shù)增大，整個(gè)能譜計(jì)數(shù)明顯降低。

4.2 數(shù)值分析

對(duì)相同材料、不同厚度的數(shù)據(jù)，考慮到計(jì)數(shù)時(shí)間較短，為確保變化可觀察，對(duì)鋁和銅取最薄和最厚一組，對(duì)鉛取全部數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)每組數(shù)據(jù)的康普頓坪與全能峰部分計(jì)數(shù)進(jìn)行積分，并以全能峰總計(jì)數(shù)除以康普頓坪總計(jì)數(shù)，得到峰-康比如表1所示：

對(duì)于相同材料不同厚度的材料，得出的結(jié)論是譜型沒有明顯變化，但是對(duì)整個(gè)譜進(jìn)行積分，探測(cè)到的粒子數(shù)變少。再對(duì)得出譜進(jìn)行更細(xì)致的分析，對(duì)每個(gè)譜分別積分其康普頓連續(xù)譜和全能峰譜的計(jì)數(shù)，得到同種物質(zhì)不同厚度的峰康比。發(fā)現(xiàn)隨著物質(zhì)厚度的增加，峰康比變小。這是由于窄束γ射線在穿過物質(zhì)時(shí)被吸收，強(qiáng)度隨物質(zhì)厚度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，即：

I=I0e-？滓？篆x=I0E-？滋x

其中I與I0分別是穿過物質(zhì)之后，穿過物質(zhì)之前γ射線的強(qiáng)度。N為吸收物質(zhì)單位體積的原子數(shù)。σ是光電效應(yīng)，康普頓，電子對(duì)三種效應(yīng)截面之和，μ為物質(zhì)的線性吸收系數(shù)，它是原子序數(shù)Z和γ射線能量的函數(shù)，且μ=μph+μc+μp，式中μph、μc、μp分別為光電、康普頓、電子對(duì)效應(yīng)的線性吸收系數(shù)，其中 、 、 （Z為物質(zhì)原子序數(shù)）。同種物質(zhì)，穿過距離x越長，則γ射線強(qiáng)度越低，總計(jì)數(shù)越少。γ射線在與銅鋁等物質(zhì)相互作用時(shí)，雖然發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)的光子數(shù)都會(huì)增加，但是發(fā)生康普頓散射的一部分粒子仍能被探測(cè)到，所以峰康比會(huì)減少。

特別說明，對(duì)于鉛而言，能譜的低能段（康普頓坪）會(huì)被薄鉛強(qiáng)烈吸收，而高能段（全能峰）被吸收的比例相對(duì)不那么高，因而導(dǎo)致在薄鉛測(cè)試時(shí)峰康比異常高。在鉛磚測(cè)試時(shí)，其厚度已經(jīng)將全能峰和康普頓坪抑制到接近噪聲的程度，難以再降低計(jì)數(shù)，因此峰康比明顯下降。

對(duì)于相同厚度不同材料來說原子序數(shù)越高，射線經(jīng)過物質(zhì)后強(qiáng)度越小，總計(jì)數(shù)也就越小。此外，對(duì)于鉛磚來說，幾乎探測(cè)不到計(jì)數(shù)，可見鉛磚對(duì)于實(shí)驗(yàn)室放射源的屏蔽十分有效，鉛塊足以起到防護(hù)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]格倫F.諾爾.輻射探測(cè)與測(cè)量[M].陳進(jìn)貴，譯.北京：原子能出版社，1988，5：167-168，180.

[2]盧希庭.原子核物理[M].北京：原子能出版社，2000，10：165-184.

[3]楊福家.原子物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007，5：29-42.

作者簡(jiǎn)介：肖宇白（1994-），男，山西省大同市人，工作單位：四川大學(xué)，職務(wù)：學(xué)生，研究方向：核工程與核技術(shù)。